近紅外（NIR）或可見光譜中的光學光譜提供了一種簡單的分析方法，用于表征各種應用中的材料。然而，合適設備的成本和尺寸使得該技術無法應對新出現(xiàn)的機會，特別是在移動和手持設備中。

也就是說，直到最近。現(xiàn)在，ams的單芯片多通道頻譜分析儀的可用性為開發(fā)人員提供了一個簡單的解決方案，旨在滿足對便攜式光譜學的新興需求。

光譜分析如何工作

光譜分析概念很簡單。在用適當?shù)墓庠凑丈淠繕酥螅瓷涔庾V儀使用光學濾波器來捕獲從目標反射的不同波長的光。請注意，吸收光譜儀的工作方式類似，但捕獲源光照通過目標液體溶液后剩余的波長。

由于目標材料吸收一組特征波長，因此分析反射光可以揭示信息關于目標的化學成分。從其在天文學，化學和物理學方面的開創(chuàng)性應用，這一基本技術已經走出了實驗室，在藥理學，醫(yī)學和電信領域實現(xiàn)了廣泛的企業(yè)級應用。

分析器

今天，開發(fā)人員正在尋求在家庭，商業(yè)和工業(yè)領域的更廣泛的大眾市場應用中提供這些技術。與傳統(tǒng)應用不同，這些應用依賴于易于獲取的低成本手持式頻譜分析儀，用于常規(guī)應用，例如驗證貨幣，確認食品和飲料的純度，以及檢查木材和木結構的完整性。

確實，能力用戶可以輕松地在家中和工作中對材料進行表征，而不是將樣品帶到昂貴的臺式分析儀上，為產品開發(fā)人員提供了廣闊的機會。

直到最近，希望將光譜學應用于大眾市場的設計師由于傳統(tǒng)頻譜分析儀設計的大尺寸，復雜性和成本的限制而受到阻礙。然而，在實踐中，傳統(tǒng)的分析儀設計并不是這些應用的理想匹配。許多這些新興應用的頻譜分析要求比研究科學家面臨的要求要小得多。

這些大眾市場應用中很少有人面臨傳統(tǒng)應用的嚴格性能要求。相反，針對大眾市場頻譜分析應用的開發(fā)人員面臨著最小尺寸，低功耗和易用性的更熟悉的移動設計要求。通過將光學光譜儀集成到芯片上，ams為設計人員提供了滿足這些要求的可行方法。

單片光譜儀

ams AS7262和AS7263 IC是完整的單片光譜儀旨在分別識別可見光和近紅外光譜中的波長。每個器件都集成了光譜學所需的所有關鍵組件，包括用于照亮目標的外部LED驅動器，以及用于捕獲反射波長的多光譜光學傳感單元（圖1）。

圖1：ams可見光AS7262和NIR AS7263 IC集成了多通道光譜傳感器，光譜識別（Spectral_ID）引擎和外部LED驅動器，使開發(fā)人員能夠實現(xiàn)具有少量附加組件的多光譜分析儀。 （圖片來源：ams）

集成光譜識別（Spectral_ID）引擎處理傳感器信號，產生光譜數(shù)據(jù)結果，主機MCU可以使用一些簡單的命令通過支持的I 2 C/UART接口訪問。最后，集成的SPI主子系統(tǒng)提供外部閃存的連接。即使具有相當大的性能，這些4.5 mm x 4.7 mm LGA器件在正常工作模式下僅消耗5毫安（mA），在標稱3.3伏電源下在待機模式下消耗12微安（μA）。

As如前所述，光譜分析依賴于在被一些已知光源照射時識別目標反射的波長。通過仔細選擇光源，開發(fā)人員可以在特定的感興趣波長下優(yōu)化分析。使用ams器件，開發(fā)人員可以使用片上LED驅動器來控制多達兩個LED，允許在同一設計中使用不同的照明/波長分布。通過設置器件寄存器，開發(fā)人員可以打開或關閉外部LED，以及使用器件的可編程LED電流水平控制強度。一個驅動器輸出LED_IND可提供1 mA，2 mA，4 mA或8 mA的電流。另一個驅動器LED_DRV可產生12.5 mA，25 mA，50 mA或100 mA電流輸出。

片上LED驅動器為開發(fā)人員提供了在復雜分析儀設計中控制多個光源的顯著靈活性。對于這種設計的探測器側，集成光譜傳感系統(tǒng)處理多光譜數(shù)據(jù)采集的所有方面。設計人員無需添加任何額外的信號調理組件即可實現(xiàn)頻譜分析。每個器件都集成了一個六通道光譜傳感器陣列，用于收集反射光。片上16位模數(shù)轉換器（ADC）集成了每個通道光電二極管產生的電流，為芯片的Spectral_ID引擎提供了單獨的通道結果。

多光譜傳感設計

對于這些設備，ams采用了新穎的多光譜傳感設計，有助于確保設備的可靠性和易用性。使用傳統(tǒng)的半導體工藝技術，ams通過在精確的一系列掩模步驟中沉積材料層，直接在硅芯片上構建納米級光學干涉濾光器。結果是一組六個精確構建的光學通道，為可見光譜AS7262提供高斯濾波器特性，半峰全寬（FWHM）帶寬為40納米（nm），近紅外光譜的FWHM帶寬僅為20 nm光譜AS7263。

除了生產非常精確的濾光片外，這種方法還提供了一種光學濾波系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相比，它具有更小，更低的成本和更穩(wěn)定的特性。由于干涉濾光器材料和制造方法的性質，這些器件不會隨時間或溫度而出現(xiàn)漂移。長期一致性在任何應用領域都很重要，但在大眾市場可能更為一致，因為用戶不愿意定期重新校準他們的手持設備。根據(jù)AMS，濾波器表現(xiàn)出每攝氏度皮米級的光譜響應度穩(wěn)定性。

盡管具有固有的精度和穩(wěn)定性，但是ams在工廠校準每個器件以確保所有通道的標準化輸出。在該工廠校準過程中，將每個被測設備的輸出與暴露于相同照度級和光譜特性的傳統(tǒng)光譜儀的結果進行比較。基于該比較，ams將設備特定的補償數(shù)據(jù)燒錄到每個設備內部的可熔鏈路中。

在芯片的系統(tǒng)級執(zhí)行而不僅僅是其濾波器響應，此校準過程有助于確保一致的性能。整個信號路徑。因此，每個器件在其六個通道上都具有精確的標準化光譜響應度（圖2）。對于AS7262，這些通道以450nm，500nm，550nm，570nm，600nm和650nm的可見光波長為中心，通道分別標記為V，B，G，Y，O和R.對于AS7263，通道以NIR波長610nm，680nm，730nm，760nm，810nm和860nm為中心，通道分別標記為R，S，T，U，V，W。

圖2a

圖2b

圖2：精確制造技術和器件校準方法的結合使AS7262的可見波長（2a）和AS7263的近紅外（NIR）波長（2b）具有均勻的光譜響應度。 （圖像來源：ams）

制造和校準過程可以在所有六個通道中實現(xiàn)標準化性能，同時消除短期溫度不穩(wěn)定性和長期漂移。另一方面，這些設備在設計中的物理位置會極大地影響結果的準確性。為了達到規(guī)定的性能特性，需要對器件進行定位，以確保目標的入射角為0°±20.0°。較大的入射角將導致反射光次優(yōu)地撞擊芯片的集成干涉濾光器，導致其光譜響應發(fā)生偏移。位于器件LGA封裝頂部的光圈設計用于幫助保持正確的入射角。

光譜數(shù)據(jù)采集

在ams器件中，六個光電二極管與單獨的光譜通道分為兩組。在AS7262中，存儲體1包括來自V，G，B，Y光電二極管的數(shù)據(jù)，而存儲體2包括G，Y，O，R通道。在AS7263中，存儲體1包括S，T，U，V光電二極管，存儲體2包括R，T，U，W光電二極管。

為了從這些存儲體生成數(shù)據(jù)，這些設備提供了幾種模式：操作。三種模式提供連續(xù)轉換 - 從存儲區(qū)1（模式0），存儲區(qū)2，（模式1），或從存儲區(qū)1順序，然后是存儲區(qū)2（模式2）。模式3的附加模式提供來自所有通道的單次轉換。

在連續(xù)轉換模式（模式0-2）中，器件在ADC集成電流后為每個單獨的存儲區(qū)生成新數(shù)據(jù)。每個頻道。對于完整存儲體，此積分時間的持續(xù)時間最短為2.8毫秒（ms）。使用這種方法，開發(fā)人員可以每2.8毫秒（或與最小積分時間一樣快）從模式1和2中的通道子集連續(xù)獲取數(shù)據(jù)。對于所有六個通道的連續(xù)采集，由于需要在模式2中順序訪問每個存儲區(qū)，因此采集速度限制為模式0或模式1的一半。

轉換周期完成后，設備將結果傳輸?shù)綖槊總€通道保留的數(shù)據(jù)寄存器。如果器件中斷使能，器件將其INT引腳拉低并將其DATA_RDY引腳設置為1.當主機讀取器件的控制寄存器時，INT線自動返回高電平，當主機讀取任何通道結果寄存器時， DATA_RDY返回0. ams警告開發(fā)人員，他們必須在每個集成周期讀取傳感器寄存器，否則可能會丟失數(shù)據(jù)。鑒于設備的最小集成時間，該限制不太可能導致用于從設備收集數(shù)據(jù)的典型軟件處理程序出現(xiàn)問題。

每個設備都可通過基于文本的方式訪問光譜數(shù)據(jù)和控制功能。 AT命令“啟用器件的UART接口時的模式。當其I 2 C串行接口使能時，器件會為每個光譜通道的校準結果，每個通道的原始數(shù)據(jù)以及器件狀態(tài)和控制的寄存器提供多個寄存器。

然而，在I 2 C接口本身內，該器件實際上只使用三個硬件寄存器，將其多個外部可見寄存器作為虛擬寄存器提供。實際上，訪問這些虛擬寄存器很簡單，而且ams為它們提供了閱讀（清單1）和編寫（清單2）的基本設計模式。在這種方法中，軟件簡單地輪詢I 2 C從機狀態(tài)寄存器，檢查其最高有效位（MSB）以查看寫（MSB = 1）還是讀（MSB = 0）是掛起感興趣的特定虛擬寄存器。

uint8_t i2cm_AS72xx_read（uint8_t virtualReg）{

volatile uint8_t status，d;

while（1）{

//讀取slave I2C狀態(tài)以查看是否讀取緩沖區(qū)準備好了。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if （（狀態(tài)＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//沒有從站的入站TX待處理。好的，現(xiàn)在寫。

break;

}

//發(fā)送虛擬寄存器地址（設置第7位表示掛起寫入）。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，virtualReg）;

while（1）{

//讀取從I2C狀態(tài)以查看我們的讀數(shù)據(jù)是否可用。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_RX_VALID）！= 0）

//已準備好讀取數(shù)據(jù)。

break;

}

//讀取數(shù)據(jù)以完成操作。

d = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG）;

return d;

}

清單1：用于讀取I <上的虛擬寄存器的ams'代碼示例sup> 2 C接口演示了在 I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG 寄存器中設置第7位之前等待 I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID 位清除的基本模式，以指示對虛擬的掛起操作注冊 virtualReg ，然后在最后通過調用 i2cm_read 讀取數(shù)據(jù)之前等待數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎谩?（代碼來源：ams）

#define I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG0x00

#define I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG0x01

#define I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG0x02

#define I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID0x02

#define I2C_AS72XX_SLAVE_RX_VALID0x01

void i2cm_AS72xx_write（uint8_t virtualReg，uint8_t d）{

volatile uint8_tstatus;

while（1）{

//閱讀從I2C狀態(tài)，以查看寫緩沖區(qū)是否就緒。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//沒有從站的入站TX待處理。好的，現(xiàn)在寫。

break;

}

//發(fā)送虛擬寄存器地址（設置第7位表示待寫）。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，（virtualReg | 0x80））;

while（1）{

//讀取從I2C狀態(tài)以查看寫緩沖區(qū)是否就緒。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//否從站的入站TX待定。好的，現(xiàn)在就寫數(shù)據(jù)了。

break;

}

//發(fā)送數(shù)據(jù)以完成操作。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，d）;

<代碼>}

清單2：使用清單1中所示的相同設計模式通過I 2 C接口讀取數(shù)據(jù)，開發(fā)人員在寫入虛擬寄存器之前輪詢設備（ i2cm_write ）。 （代碼來源：ams）

對于大多數(shù)應用程序，開發(fā)人員可能會使用設備自動生成的校準結果。對于這些結果，器件使用在工廠校準期間刻錄到每個器件中的補償數(shù)據(jù)來校正原始數(shù)據(jù)，將結果作為IEEE 754標準格式的32位浮點值傳遞。然而，開發(fā)人員可以訪問每個光譜通道的原始數(shù)據(jù)，以便為具有獨特要求的應用程序實施專門的校準和校正措施。

除了簡單的軟件界面外，每個設備只需要幾個額外的組件來實現(xiàn)多個-spectral分析儀，因為它具有高水平的功能集成。 AS7262 DEMO KIT和AS7263 DEMO KIT均提供完整的參考設計，演示了在基本設計中實現(xiàn)所需的硬件接口（圖3）。

圖3：通過其AS7262和AS7263 DEMO KITS，ams提供了評估板和原理圖，演示了實現(xiàn)完整多光譜分析系統(tǒng)所需的簡單硬件接口。 （圖片來源：ams）

基于同一平臺，每個演示套件包括一個評估板，其中裝有適當?shù)墓庾V傳感設備，以及Adesto Technologies AT25SF041 4兆位閃存和一些基本組件。器件評估板為兩個用戶提供的LED光源提供焊盤，其光照特性適合應用。

結論

光學光譜提供了一種分析靶材特性的簡單方法。過去，光譜分析儀設計的成本和復雜性限制了該技術在研究實驗室和企業(yè)運營中的應用。 ams的單芯片多光譜傳感設備的可用性消除了實現(xiàn)更簡單，更低成本的光譜儀設計的障礙。使用這些設備，開發(fā)人員可以解決手持式光譜分析儀的新興機會。